曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

旋转圆盘上液固两相流冲刷磨损数值模拟研究

对旋转圆盘内液固两相流冲刷腐损过程进行了数值模拟研究.数值模拟研究采用欧拉-拉格朗日方法来模拟液固两相流动,即通过在欧拉坐标系下求解流体相的雷诺时均方程组来模拟流体流场,通过拉格朗日坐标系下的随机轨道模型来获得固体颗粒相的运动轨迹.将最终数值模拟结果和实验测量数据进行了比较,结果表明文中构建的综合模型基本上是正确和可行的.     

变攻角圆盘空化器生成自然超空泡数值模拟

基于结构化网格,运用N-S方程及k-ε湍流模型对均质流场求解,引入Rayleigh-Plesset方程模拟超空泡问题.对三维圆盘空化器在不同空化数情况下进行超空化流动数值模拟.将三维无攻角圆盘空化器的仿真结果与经验公式进行对比,二者具有良好的一致性.并且解决了带攻角圆盘空化器生成超空泡的数值模拟问题,详细分析了不同攻角圆盘空化器生成自然超空泡的形态特征以及升阻力特性.     

基于VOF法的近自由面水下爆炸气泡运动数值模拟

对于近水面水下爆炸气泡的运动特性,在结合SOLA算法差分格式,利用投影算法对气泡的控制方程进行数值求解的基础上,基于VOF法进行了数值模拟,并利用MSC.DYTRAN软件进行仿真分析,通过对两者的分析结果对比研究. 结果表明,基于结合SOLA算法差分格式的投影算法,利用VOF法可对水下爆炸气泡各时刻的运动界面进行较精确的捕捉和重构,从而实现精确追踪水下爆炸气泡脉动全物理过程的运动界面. 同时,也研究了距离参数对气泡坍塌、射流及环状气泡的影响,掌握了距离参数对近水面水下爆炸气泡运动特性的影响.      

运动潜体尾迹及其与随机海面相互作用的数值模拟

研究了水下运动物体产生的自由面尾迹与随机海面相互作用的问题.以三维非定常不可压缩雷诺平均(RANS)方程为控制方程,采用重整化群(RNG)k-ε湍流模型,应用体积分数(VOF)方法处理自由面,对水下运动球体产生的自由面尾迹特征进行了数值模拟与分析.结合海浪谱模型,数值分析了水下运动球体产生的自由面尾迹与随机海面的相互作用机理及其表现特征.     

非正弦俯仰运动对扑翼自主推进的影响

采用数值仿真耦合求解流体动力方程与扑翼运动方程,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,数值模拟了非正弦俯仰运动下扑翼在前进方向及侧向的自主推进,研究在静水中不同运动波形及俯仰频率对自主推进速度、自主推进效率及流场结构的影响.结果表明:非正弦波形调节参数K和俯仰频率对自主推进前进速度、前进距离影响很大,提高K或频率,可增...     

近水面水下爆炸水柱效应研究

为研究近水面水下爆炸产生的水柱效应,对水面下2m处2kg TNT炸药爆炸水柱效应进行了理论计算和试验研究,并运用MSC.DYTRAN和PAM-FLOW两种软件进行了数值模拟. 结果表明,水柱上升高度历时曲线呈开口向下抛物线形状,水柱上升速度近似呈指数衰减;爆炸后水柱形成过程数值模拟云图与试验结果吻合.     

电磁驱动旋流下气泡运动行为的研究

将电磁搅拌技术应用到RH真空脱气装置上,结合模型实验和数值模拟研究了电磁驱动旋流下,RH系统上升管内气泡的运动行为.数学模拟和模型实验的结果都给出了旋流场内气泡分布与运动轨迹.气泡运动轨迹为螺旋线形,并在旋流作用下向管子中心处聚集.气泡聚集程度受旋流数影响.旋流还可以延长RH装置内非金属夹杂在RH系统内的停留时间和运动行程,大大增加非金属夹杂物与气泡碰撞、结合的机会,有利于夹杂物的去除.     

自主水下航行器载荷侧向分离三维运动仿真分析

为了对自主水下航行器(AUV)载荷侧向分离安全性进行研究,建立了AUV载荷侧向分离三维运动模型.基于多刚体系统笛卡尔动力学理论,考虑了侧向分离过程中载荷与运载器之间的耦合运动关系,采用带拉格朗日乘子的多体系统动力学方程,建立载荷侧向分离三维运动模型;基于刚体动力学理论,采用牛顿-欧拉方法,建立AUV载荷侧向分离后载荷与运载器的单刚体运动模型.为避免求解过程中出现约束违约现象,采用约束违约稳定法对AUV载荷侧向分离多体系统运动方程进行处理,采用四阶龙格库塔积分算法对一定工况下载荷侧向分离运动进行仿真,结果表明所建立的AUV载荷侧向分离三维运动模型是有效的.     

气泡生长的界面质点受力法模型与实验研究

基于Lagrange思想提出一种界面质点受力法模型用于描述气液界面的动态演化过程,该模型将气液界面离散成一系列的质点,对各质点建立受力模型及其运动方程,通过各质点运动轨迹的求解获得动态演化的气液界面.应用此模型对水下壁面开孔注入不凝性气体气泡的动态生长过程进行了数值模拟研究,预测了气泡的脱离直径和脱离时间.建立可视化实验台,进行了3种不同开孔孔径和10组不同充入流量的气泡生长实验,对模拟结果进行了验证分析.研究结果表明,质点受力法对气泡生长过程形状演化、脱离直径和脱离时间的计算结果均与相同工况实验结果吻合很好,从而验证了该方法的有效性.     

基于曲面重构的飞机三维结冰数值模拟计算

在飞机结冰数值模拟中,采用多时间步长法可以准确模拟实际结冰情况。首先给出了三维结冰数值模拟方法,通过求解N-S方程计算空气流场、采用欧拉法计算水滴轨迹、求解质量和能量守恒方程计算结冰增长。对结冰后的结果数据进行重组,建立新的拓扑关系,采用非均匀双三次B样条曲面重构算法重构冰形曲面,得到几何模型,实现飞机三维结冰的多时间步长数值模拟。比较了单时间步长和多时间步长的计算结果;并与冰风洞试验数据及LEWICE预测数据进行对比,分析了不同时间步长对结冰外形的影响,得到了表面水收集系数随着时间的变化规律。结果表明,随着时间步长的不断缩小,水收集系数在机翼上表面不断增加,影响冰形的增长。时间步长越小,计算结果越接近试验数据,验证了曲面重构算法的正确性,说明多时间步长在结冰数值模拟方法中的优越性。     

Secrets of successful stone-skipping

Skipping stones across water has been a popular pastime for thousands of years - the rules of the game have remained unchanged since the time of the ancient Greeks - and the world record, set by J. Coleman-McGhee in 1992, is believed to be 38 rebounds. Following earlier attempts to analyse the physics of this ancestral human activity, we focus here on the crucial moment in stone skipping: when the stone bounces on the water's surface. By monitoring the collision of a spinning disc with water, we have discovered that an angle of about 20 degrees between the stone and the water's surface is optimal with respect to the throwing conditions and yields the maximum possible number of bounces.     

水砂混相流运动的CIP-DEM耦合数值模型

为建立精确模拟水砂混合流(如:挟砂溃坝溢流)问题的数值计算方法,提出了模拟固液混相流运动的垂向二维CIPDEM法耦合数值计算模型。模型采用CIP(constrained interpolation profile scheme)法求解描述水体运动的Navier-Stokes流体运动方程,采用DEM(discrete element method)法求解描述泥沙粒子团运动的牛顿力学方程;并通过水砂间的相互作用关系将水-砂运动进行耦合。通过分别对溃坝溢流和砂体下落的单相体运动进行数值模拟并与前人的实验结果进行对比,验证了CIP法流体计算模型和DEM法砂体计算模型妥当。在此基础上,采用所建立的CIP-DEM水砂耦合数值计算模型对干床面上的挟砂溃坝溢流问题进行了数值模拟,计算得出的挟砂溃坝溢流中的水、砂运动形态和运动过程与Zhang(2009)等的实验结果吻合良好,表明提出的CIP-DEM耦合模型在对具有大自由表面变形的水砂运动问题的模拟中具有较好的适用性。     

助推-滑翔无动力跳跃飞行器轨迹预测

针对助推-滑翔无动力跳跃飞行器再入拉起后升阻比大小较为稳定的特点,设计了基于稳定升阻比的轨迹预测算法。首先对目标的弹道特性进行了分析,鉴于其再入后特有的跳跃拉升现象,将再入拉起时刻确定为轨迹预测算法的起始时刻;其次,根据防御方已知信息和未知信息对飞行器跳跃段运动方程进行了转化,给出了转化后运动方程中未知参量的计算方法,并设计了基于转化后运动方程的轨迹预测流程及算法;最后对算法进行了仿真验证,仿真结果表明所设计预测算法对助推-滑翔无动力跳跃飞行器再入拉起后的轨迹具有较好的预测能力。     

通风盘式制动器热机耦合理论建模与分析

针对制动盘内外侧壁厚不等的通风盘式制动器,基于实测制动副摩擦系数一相对速度试验数据,建立了3维瞬态热-机耦合理论模型及有限元模型,分析了紧急制动工况下制动盘瞬态温度场和法向应力场在径向、周向和法向的分布特征,以及制动盘侧面热弹性变形和厚薄差变化规律.在台架试验中利用热电偶和非接触式位移计测量了制动盘表面温度和热弹性变形,仿真计算结果与试验结果具有良好的一致性,研究结果表明:制动盘瞬态温度、法向应力、热弹性变形之间存在复杂的耦合关系,这主要是由于制动盘通风槽和内、外侧壁厚不等的结构特点以及摩擦、热、机械的相互作用所致.     

二维溃坝洪水波演进的数值模拟及动态显示

采用基于MacCormack预测—校正技术的隐式数值格式求解控制水流运动的二维浅水方程，建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型；应用该模型对矩形明渠中缓、急流过渡的水面曲线进行了数值计算，并与理论解进行了比较；最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒的洪水演进过程，并对模拟结果进行了定性分析。比较与分析结果表明，该模型对模拟溃坝洪水波很有效。     

非定常水斗表面自由水膜的流动机理

冲击式水轮机水斗内非定常自由水膜的流动非常复杂,至今还没有足够精确的数值方法来模拟这种流动．文中分析了非定常水膜流的流动机理,根据N-S方程推导出了水斗表面流体粒子在转动坐标系中的相对运动控制微分方程,依据控制微分方程编写出了数值解析软件并对水斗内的水膜流动进行了数值模拟,定量地得到了某模型水轮机水斗内部流动的速度场、能量场．对比一系列水膜流态分布,数值解析得到的结果与试验观测结果基本相吻合,最优工况下的水力效率与模型试验数据的误差为0．33％．     

藏族民居石砌体基本力学性能试验与数值仿真

对四川藏族地区阿坝州民居建筑的石砌体基本力学性能进行试验研究,运用ADINA有限元软件对试验进行数值仿真分析,研究石砌体抗压强度、石砌体沿通缝抗拉强度以及石砌体沿齿缝抗拉强度。结果表明:石砌体力学性能试验曲线和数值模拟曲线均有明显的弹性阶段、弹塑性阶段和软化阶段,试验值和数值模拟值误差较小,数值模拟合理,可以代替试验值分析使用;砂浆所在位置是薄弱环节,裂缝位置大多出现在力学性能较为薄弱的黄泥砂浆位置上;在通缝截面和齿缝截面对比中,缝的位置将直接影响模型承载能力。     

端面磨削动态热力耦合效应及对表面去除过程影响

针对端面磨削加工接触表面热力学分布特征提出一种基于动态热力耦合效应的理论建模方法.首先,建立多颗磨粒运动轨迹数学模型;其次,基于磨粒运动轨迹与磨粒高度的动态分布特征对加工工件磨削力进行解析求解;根据求得的磨削力,运用有限差分法(FDM)对端面磨削工件表面动态热力耦合过程进行分析;最后,分别采用有限元法(FEM)和端面磨削实验验证理论分析的合理性.结果表明:动态热力耦合的均一化程度会引起加工工件表面轮廓高度的差异性,减小砂轮转速可改善加工工件表面轮廓.     

TBM盘形滚刀破岩刃弧长研究分析

根据全断面隧道掘进机(TMB)盘形滚刀破岩运动的规律,综合考虑滚刀和掌子面相互的关系,利用空间几何理论以及空间运动学的坐标变换矩阵法建立了盘形滚刀工作刃破岩的运动学模型.采用Matlab软件编程对模型求解,得到盘形滚刀对掌子面的理论压碎轨迹的仿真图形及其破岩刃各点一次破岩弧长分布规律.结合仿真结果对比研究了TBM刀盘上中心刀和正刀的破岩刃弧长分布的规律.随着盘形滚刀刀位半径的增加,滚刀破岩刃一次破岩弧长呈下降趋势,但累计破岩弧长线性增加.盘形滚刀破岩仿真方法有利于对刀具磨损、破岩机理、刀具优化设计及其在刀盘上布局优化的研究.